回采工作面围岩应力分布特征研究

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1、回采工作面围岩应力分布特征研究高路潞安矿业集团公司屯留煤矿摘要：受采动影响巷道的矿压显现比静压巷道要复杂得多。它的维护状况除取决于影响静压巷道维护的诸因素外，主要取决于采动影响，即煤层开采过程中引起的采场周围岩层运动和应力重新分布，对巷道的变形、破坏和维护的影响。一般情况下，回采工作面开切眼不受采动影响，而回撤通道要经受采煤工作面支承压力影响的全过程。因此，深入研究回采工作面前后围岩应力分布特征，对回撤通道支护设计及采透前的加固设计具有重要的理论指导意义。1沿工作面推进方向的应力变化众所周知，用陷落法开

2、采时，采空区顶板岩层从下向上一般会出现冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。这三带的发展过程对巷道维护影响很大。冒落带是在开采空间和冒落岩层本身空间未被冒落岩块充满前发生的，一般都自由垮落，失去原有的层次，岩层结构破坏严重，彼此之间无力的联系。冒落带岩层的厚度取决于煤层的开采厚度、顶板岩层性质及其赋存状况等。冒落带岩层的厚度一般为采厚的2~4倍。当顶板岩层的冒落高度达到Sh时，由于受到充满采空区的垮落岩石的限制，上部的岩层不再自由垮落，随着冒落带松散岩石的压实而下沉断裂，形成裂隙带。裂隙带的岩层结构虽遭破坏，但仍

3、保持原有层次，岩块之间绞接挤压，可能形成力的平衡，而承受上覆岩层的重量，并将其传递到采空区周围的煤体和煤柱上。裂隙带岩层往上，裂隙渐少且互不沟通，岩层只是整体移动，称弯曲下沉带。它的运动过程对沿空巷道的顶板下沉和矿压显现的影响比裂隙带要小得多。沿回采工作面推进方向，采空区上部岩层的破坏过程大致可分为三个阶段。冒落带岩层处于垮落和松散阶段，上覆岩层大部分呈悬垂状态（如图1中的Ⅲ），悬垂岩层的重量要转移到工作面前方和采空区两侧的煤体和煤柱上。此时在采空区为低于原始应力gH的降压区（图1和图2中C），在工作面

4、前方（图1中B）和采空区两侧的煤体（图2中B1）和煤柱（图2中B2）上，出现了比原始应力大得多的集中应力，常称为支承压力。随着回采工作面的推进，冒落带岩石逐步被压缩（图1中Ⅳ），采空区上覆岩层的重量，逐渐作用到底板上，煤柱的支承压力也渐渐降低。在远离回采工作面的后方，随着已采区上覆岩层的沉降，冒落带矸石的压实（图1中Ⅴ），冒落带和底板岩层的压力恢复到接近原始应力gH（图1和图2中D），采空区两侧煤柱的压力也趋向稳定。在回采期间，沿工作面前后方应力分布如图1所示。在采动影响下，沿回采工作面推进方向，回采空

5、间两侧煤体和煤柱的应力，随着与工作面的距离和时间不同而发生很大变化，一般都出现三个应力区。即远离工作面前方，未受采动影响的原始应力区（图3中A）；在工作面附近和前后，受采动影响的应力增高区（图3中B）；远离工作面后方，采动影响趋向稳定的应力稳定区（图3中D）。应力增高区B由应力升高、强烈和减弱三部分组成。在其它条件变化不大的情况下，布置在工作面上、下两侧的采准巷道，围岩变形的变化与煤柱的应力分布基本上是一致的。图1回采工作面前后方的应力分布Ⅰ-工作面前方应力变化区；Ⅱ-工作面控顶区；Ⅲ-冒落岩石松散区；

6、Ⅳ-冒落岩石逐渐压缩区；Ⅴ-冒落岩石压实区；A-原始应力区；B-应力增高区；C-应力降低区；D-应力稳定区图2已采区及其两侧煤柱的应力分布Ⅰ-冒落带；Ⅱ-裂隙带；Ⅲ-弯曲下沉带；A-原始应力区；B1、B2-应力增高区；C-应力降低区；D-应力稳定区沿回采工作面推进方向，回采空间（中央）前后的应力分布（图1），同两侧煤体和煤柱的应力分布（图2、3）是紧密联系的，它们反映了采动引起的应力重新分布的基本状况，对分析研究采准巷道的维护十分重要。采空区上覆岩层的运动和破坏，引起煤柱上载荷急剧增长，再逐渐下降和趋向

7、稳定的过程，以及各个应力区的分布范围和持续时间，是决定采准巷道维护的主要因素。图3护巷煤柱在回采工作面前后方的应力分布A-原始应力区；B-应力增高区；D-应力稳定区2煤柱的塑性区宽度和应力分布假设采空区周围的煤柱处于弹性变形状态，则煤柱的垂直正应力sy的分布如图4中1所示。sy随着与采空区边缘之间距离x的增大，按负指数曲线衰减。回采引起的支承压力分布范围为30~100m，通常在距采空区50~60m以外，就能观测到支承压力的影响。实际上，在高应力的作用下，煤柱在采空区边缘附近，会出现松散区和塑性区，并引起

8、应力向围岩内部转移和围岩的塑性变形。在松散区（图4中Ⅰ）内，围岩已经松动破碎，基本不能传递垂直应力。塑性区靠已采区一侧（图中Ⅱ），压力下降，低于原岩应力gH，围岩强度明显减弱，并发生松弛和位移。塑性区靠煤体一侧（图中Ⅲ）和弹性区应力升高部分（图中Ⅳ）为承载区。塑性区与弹性区的交界处是垂直应力最高的地方。图4煤柱的弹塑性变形区及垂直应力的分布1-弹性应力；2-弹塑性应力Ⅰ-松散区；Ⅱ-松弛区；Ⅲ-塑性区；Ⅳ-弹性区应力升高部分；Ⅴ-弹性区原始